[发明专利]一体式零偏可调加速度计伺服电路及其制作方法和应用

说明书

本发明公开了一体式零偏可调加速度计伺服电路及其制作方法和应用，属于半导体混合集成技术领域，传感器表头由力矩器、摆组件动力学、差动电容传感器组成；伺服电路系统主要由差动电容电压转换器、跨导补偿放大器、反馈网络、零偏补偿模块等组成。伺服电路功能由线性稳压电源、基准三角波发生器、差动电容检测器、积分网络、跨导补偿放大器、反馈网络、零偏补偿模块实现，可实现对加速度计输出零位修正，在输出级完成了对伺服电路输出电流的零偏补偿，有效减小加速度计的零偏，提高了加速度计伺服电路输出精度。同时，利用激光缝焊实现伺服电路与加速度计传感器表头一体式全密封封装，提高了加速度计的密封可靠性。

技术领域

本发明属于半导体混合集成技术领域，涉及一体式零偏可调加速度计伺服电路及其制作方法和应用。

背景技术

加速度计是一种测量运动载体线加速度的传感器，通过检测其内部敏感元件的参数变化，获得运动载体的加速度值，对加速度信号经过必要的积分运算和坐标变换处理，再结合系统中的陀螺仪，可获取运动载体完整的空间信息。石英挠性加速度计伺服电路是一种力平衡式加速度计伺服电路，功能是通过检测差动电容信号变化量，将其转换为电流信号，该电路与专用加速度传感器表头一起构成加速度计，已广泛应用于火箭、飞机、导弹、飞船、舰船的惯性测量和姿态控制中，也可应用于石油钻井、地质勘探、建筑倾斜测量等随钻测斜系统。

随着我国空间任务的不断增加、武器装备的更新换代以及军民融合的快速发展，使得行业领域对石英挠性加速度计伺服电路的性能，特别是输出精度和可靠性方面的要求越来越高，传统石英挠性加速度计伺服电路存在以下不足：

1、伺服电路输出存在零位偏移

通常情况下，石英挠性加速度计即使在平衡位置，其输出也通常不为0值，称之为加速度计零位偏移，简称“零偏”。石英挠性加速度计由加速度传感器表头和伺服电路两大部分组成。加速度传感器表头主要包括表芯和壳体，表芯主要由摆片、磁钢、扼铁、力矩器、力矩器线圈、挠性支承平桥、阻尼器等零件组成，壳体外形结构通常采用圆桶形设计。伺服电路采用混合集成技术，主要由基准三角波发生器、差动电容检测器、积分网络、跨导补偿放大器、反馈网络组成。加速度计的零偏一般由传感器表头结构的机械零偏和伺服电路的电气零偏组成。在加速度传感器表头的组装过程中，由于人工操作水平和机械结构加工平行度等各种因素的影响，装配后摆片的位置不一定会在几何中心位置，大多是偏向一侧，从而形成机械零偏。在伺服电路中，由于受到双电源供电、差动电容检测器中镜像电流源不平衡等因素影响，均会造成伺服电路的输出零位偏移。伺服电路中与传感器表头的一个电容极板相连的差动电容检测器一端输出只经过一个电流镜像电路，而与传感器表头的另一个电容极板相连的差动电容检测器一端输出要经过一个电流镜像电路和一个电流反向器电路，故差动电容检测器在理论上是不平衡的。因此，当摆片本身没有接收到任何加速度时，差动电容检测器仍然会有电压输出，系统会认为有负载而产生一个平衡电流加载在力矩线图上，将摆片拉回到平衡位置，产生加速度计零偏电流。电路中电流积分器采用电流信号反相输入，积分电容由运算放大器输出端接入反相端，受积分器输入端的失调电流影响、电容的电阻效应以及其他因素均会造成积分器零偏电流。通过提高传感器表头加工精度、装配技术和检测技术可以有效减小机械零偏，通过改善集成电路的生产工艺水平，可以一定程度上减小电气零偏。但由于受限于石英挠性加速度计表头和伺服电路制造工艺的水平，仍会存在零位偏移，从而影响加速度计输出精度。

2、伺服电路与传感器密封性差

石英挠性加速度计伺服电路一般采用半圆陶瓷盖板加环氧胶封装，是一种非气密性封装。根据石英挠性加速度计传感器表头与伺服电路结构特点，通常是在伺服电路的表面设计两个圆形过孔，在与加速度传感器表头互连时，将传感器表头的信号线通过电路正面的圆形过孔引到电路的反面连接，通过引线焊接方式实现伺服电路与表头互连。石英挠性加速度计伺服电路与表头通过环氧胶进行密封后，伺服电路的电源信号、输出信号均是通过伺服电路外引线引出。这种设计很巧妙的解决了加速度计传感器表头与伺服电路的互连问题，但由于电路结构设计的特点和封装材质本身的特性，其密封性方面存在一定的不足。

发明内容